一种模拟缓倾层状围岩隧道变形破坏的试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种模拟缓倾层状围岩隧道变形破坏的试验装置及方法，包括缓倾地层模拟系统，缓倾地层模拟系统自下而上设置的底座和箱体，所述箱体包括长方体形外框架，箱体的前后两个面上固定安装有有机玻璃板，所述有机玻璃板上开设有与隧道相似的模型孔洞，模型孔洞外周设置有封堵法兰板，箱体的左右两侧分别滑动安装有左右推板，箱体顶部活动连接有上压板；所述底座主要分为下层底座和中层底座两层，底座内设置有X轴Y轴旋转举升系统。本发明专利技术的装置通过底座内设置X轴Y轴旋转举升系统，顶升箱体并进行角度旋转，可以调节缓倾角度，使得铺设缓倾层状土时能够水平铺设以达到岩层缓倾的最佳效果。最佳效果。最佳效果。

【技术实现步骤摘要】
一种模拟缓倾层状围岩隧道变形破坏的试验装置及方法


[0001]本专利技术涉及土木工程
，具体涉及一种模拟缓倾层状围岩隧道变形破坏的试验装置及方法。

技术介绍

[0002]随着层状岩体工程建设的不断增多，由于软弱层理面破裂而导致的工程施工事故也日益凸显。层状岩体作为一种典型的复杂岩体，通常具有显著的横观各向同性或正交各向异性特征。在地壳运动或岩浆活动作用下产状发生变动，结构面与水平面有了一定的夹角，便形成了倾斜岩层；当岩体岩层倾角在10
°
～30
°
范围内时，被称为缓倾层状岩体。与一般岩体不同，缓倾层状岩体受控于大尺度的层状结构面、小尺度微裂纹的影响，其力学特性表现为强烈的各向异性、不均匀性和不连续性，并在多场连成作用下呈现出变形和损伤的时空变异性特征。缓倾层状软弱围岩结构面对外部环境和内部应力状态变化十分敏感，在施工扰动下导致结构面完整性缺失后，由于层间粘结力很弱，使得各层之间进入离层状态，导致各层岩体类似于一个独立且处于受弯剪状态的梁，整体抗弯能力与抗拉能力迅速降低，离层后的缓倾岩体逐渐出现连锁失稳效应，导致隧道底部结构荷载增大，甚至出现严重变形如隆起、弯折、断裂等严重病害现象，严重影响隧道安全。因而十分有必要建立缓倾层状岩体隧道变形破坏试验装置，通过物理模型试验研究缓倾层状岩体隧道在不同角度、地应力、层厚等情况下的变形破坏规律，并进行定性及定量分析，从而提出缓倾层状岩体隧道施工安全关键控制技术指标参数，为隧道结构设计于施工提供指导，具有很强的工程应用价值。
[0003]目前，对于缓倾层状围岩的模型试验，国内的试验装置主要针对水平应力加载，而受限于试验各方面条件的限制，一般只能模拟2m至3m的土层厚度，较难模拟实际工程中遇到的大埋深情况；且面对具有缓倾角度的层状围岩，试验岩土体铺设时精度控制也面临较大困难。综上，现有的缓倾层状围岩实验装置难以满足缓倾层状隧道变形机理模型试验中同时模拟施加竖向和水平应力的加载、不同缓倾角度精确装填土、填土机械压实等要求，这是当前缓倾层状围岩隧道设计与建设中亟待解决的问题。

技术实现思路

[0004]为解决上述现有技术中的不足，本专利技术提供一种模拟缓倾层状围岩隧道变形破坏的试验装置及方法，以模拟在不同倾角、不同埋深等条件下层状围岩对隧道变形的机理进行系统实验和研究，对隧道结构的设计和施工给出更科学可靠的试验依据，以保证隧道的建设和营运安全。
[0005]为实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种模拟缓倾层状围岩隧道变形破坏的试验装置，包括缓倾地层模拟系统，缓倾地层模拟系统自下而上设置的底座和箱体，所述箱体包括长方体形外框架，箱体的前后两个面上固定安装有有机玻璃板，所述有机玻璃板上开设有与隧道相似的模型孔洞，模型孔
洞外周设置有封堵法兰板，箱体的左右两侧分别滑动安装有左右推板，箱体顶部活动连接有上压板；所述底座主要分为下层底座和中层底座两层，底座内设置有X轴Y轴旋转举升系统。
[0007]进一步地，所述下层底座与中层底座之间设有支撑系统和Y轴旋转举升系统，可使箱体在左右方向发生倾斜并得到支撑；中层底座与箱体底面之间设有支撑系统和X轴旋转举升系统，可使箱体在前后方向发生倾斜并得到支撑。
[0008]进一步地，所述下层底座与中层底座之间连接有下层旋转油缸，下层底座内安装有第一下铰座，中层底座的底面安装有第一上铰座，第一下铰座与第一上铰座在X方向上设有距离差，下层旋转油缸的两端分别通过销轴与第一上铰座、第一下铰座铰接，下层底座顶面一侧和中层底座底面对应位置分别设有多组第一支承铰座，所述第一支承铰座位于靠近第一下铰座一侧，第一支承铰座的轴向与第一下铰座的轴向平行，中层底座与下层底座通过第一支承铰座铰接，下层底座顶面周圈其余侧设有支撑柱，下层旋转油缸可举升带动中层底座及箱体绕第一支承铰座的轴线在左右方向旋转；
[0009]所述中层底座与箱体之间连接有中层旋转油缸，中层底座内安装有第二下铰座，箱体的底面安装有第二上铰座，第二上铰座与第二下铰座在Y轴方向上设有距离差，中层旋转油缸的两端分别通过销轴与第二上铰座、第二下铰座连接，中层底座顶面一侧和箱体底面对应位置安装有多组第二支承铰座，第二支承铰座位于靠近第二下铰座一侧，第二支承铰座的轴线与第二下铰座的轴线平行，箱体通过第二支承铰座与中层底座铰接，中层底座顶面其余侧设有支撑柱，中层旋转油缸可带动箱体绕第二支承铰座的轴线在前后方向旋转。
[0010]进一步地，所述箱体在左右方向的倾斜范围为0～30度，所述箱体在前后方向的倾斜范围为0～30度。
[0011]进一步地，所述箱体底面上设有角度传感器，可实时监测箱体的倾向和倾角。
[0012]进一步地，还包括大埋深模拟系统，所述大埋深模拟系统包括加载装置，加载装置包括反力梁框架、加载油缸，反力梁框架采用型材焊接后与箱体底框延伸部分组合成龙门框架形式，反力梁框架的左、右和上侧分别安装有加载油缸，加载油缸分别作用于左右推板和上压板。
[0013]进一步地，所述大埋深模拟系统还包括高精度伺服静态稳压系统，高精度伺服静态稳压系统由压力传感器和计算机控制软件组成，高精度伺服静态稳压系统与加载装置电性连接，压力传感器布置在箱体的填土侧。
[0014]进一步地，还包括地温模拟系统，地温模拟系统由加热装置和温度传感器组成；左右推板和有机玻璃板的外侧包裹保温棉，加载油缸的推杆周围安装一圈管状铸铝加热器，铸铝加热器安装在推杆靠近保温棉的位置，温度传感器布置于左右推板的填土侧。
[0015]一种利用上述模拟缓倾层状围岩隧道变形破坏的试验装置进行模拟缓倾层状围岩隧道变形破坏的试验的方法，具体步骤包括：
[0016]S1、根据隧道方位与地层倾角和倾向的关系，启动X轴Y轴旋转举升系统将箱体旋转至需要的倾斜角度；
[0017]S2、根据隧道埋深以及地层情况，确定填土高度和每层土层厚度，采用压实装置逐层填土压实；
[0018]S3、将箱体还原至水平位置，根据需要模拟的隧道埋深及地应力情况，确定大埋深模拟系统施加的水平和竖向荷载，启动大埋深模拟系统施加荷载；
[0019]S4、根据隧道实际开挖的工法及进尺，拆除法兰板，进行隧道开挖；
[0020]S5、采用高速摄像机全过程实时观察隧道开挖过程破坏现象。
[0021]进一步地，在步骤S4之前，还包括：
[0022]根据隧道地温情况，采用地温模拟系统使填土达到需要的地温。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的有益效果有：
[0024]1)本专利技术的装置通过底座内设置X轴Y轴旋转举升系统，顶升箱体并进行角度旋转，可以调节缓倾角度，使得铺设缓倾层状土时能够水平铺设以达到岩层缓倾的最佳效果；
[0025]2)本专利技术的大埋深模拟系统能够模拟对箱体内填土施加水平应力和竖向应力，以研究不同应力条件对隧道的破坏机理及影响因素，为隧道的设计与施工提供更全面、更可靠的试验数据，更好的保证隧道的运营安全本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模拟缓倾层状围岩隧道变形破坏的试验装置，其特征在于：包括缓倾地层模拟系统，缓倾地层模拟系统自下而上设置的底座和箱体，所述箱体包括长方体形外框架(6)，箱体的前后两个面上固定安装有有机玻璃板(14)，所述有机玻璃板上开设有与隧道相似的模型孔洞(13)，模型孔洞外周设置有封堵法兰板(15)，箱体的左右两侧分别滑动安装有左右推板(3)，箱体顶部活动连接有上压板(2)；所述底座主要分为下层底座(11)和中层底座(9)两层，底座内设置有X轴Y轴旋转举升系统。2.根据权利要求1所述的模拟缓倾层状围岩隧道变形破坏的试验装置，其特征在于：所述下层底座(11)与中层底座(9)之间设有支撑系统和Y轴旋转举升系统，可使箱体在左右方向发生倾斜并得到支撑；中层底座(9)与箱体底面之间设有支撑系统和X轴旋转举升系统，可使箱体在前后方向发生倾斜并得到支撑。3.根据权利要求2所述的模拟缓倾层状围岩隧道变形破坏的试验装置，其特征在于：所述下层底座(11)与中层底座(9)之间连接有下层旋转油缸(10)，下层底座(11)内安装有第一下铰座(21)，中层底座(9)的底面安装有第一上铰座(22)，第一下铰座(21)与第一上铰座(22)在X方向上设有距离差，下层旋转油缸(10)的两端分别通过销轴与第一上铰座(22)、第一下铰座(21)铰接，下层底座顶面一侧和中层底座底面对应位置分别设有多组第一支承铰座(12)，所述第一支承铰座(12)位于靠近第一下铰座(21)一侧，第一支承铰座(12)的轴向与第一下铰座的轴向平行，中层底座(9)与下层底座(11)通过第一支承铰座(12)铰接，下层底座顶面周圈其余侧设有支撑柱，下层旋转油缸(10)可举升带动中层底座及箱体绕第一支承铰座(12)的轴线在左右方向旋转；所述中层底座(9)与箱体之间连接有中层旋转油缸(8)，中层底座内安装有第二下铰座(23)，箱体的底面安装有第二上铰座(24)，第二上铰座(24)与第二下铰座(23)在Y轴方向上设有距离差，中层旋转油缸(8)的两端分别通过销轴与第二上铰座(24)、第二下铰座(23)连接，中层底座顶面一侧和箱体底面对应位置安装有多组第二支承铰座(7)，第二支承铰座(7)位于靠近第二下铰座(24)一侧，第二支承铰座(7)的轴线与第二下铰座的轴线平行，箱体通过第二支承铰座(7)与中层底座铰接，中层底座顶面其余侧设有支撑柱，中层旋转油缸(8)可带动箱体绕第二支承铰座(7)...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志强，朱星宇，郑传恬，周泽林，冯应，张洋，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：